冻干技术-冻干过程主要参数的控制

博医康真空冷冻干燥系统解决方案冻干系统解决方案-博医康冻干技术-冻干过程主要参数的控制冻干机影响干燥过程的主要因素是升华界面的温度（或供热量）和水蒸汽逸出制品的能力。前者主要由搁板的温度和干燥箱的压力（真空度）所决定，而后者主要由升华界面的温度（对应的水蒸汽饱和压力）和箱内的水蒸汽分压所决定。因此，要使干燥过程具有“再现性”，搁板的温度、干燥箱的压力（真空度）和其水蒸汽分压这三个参数进行“过程控制”，才能使批与批间的制品具有相同的冻干条件和同样的质量。下面从“过程再现”的角度分别介绍目前所采用的搁板温度，干燥箱内压力（真空度）和水蒸汽分压的控制。一、搁板温度的控制生物医药冷冻干燥机均用电加热，利用控制电加热的通断，可以方便地控制加热量和温度。一般采用两种方式。1、阶梯式升温即将升温阶段分成若干区段，在每区段开始时接通加热器升温。当搁板（介质）温度达到该段值上限时，切断加热器，保温到该段时间结束，再转入下区段的升温。此种方式中每区段搁板的升温速率不进行控制，但因制品升温滞后于搁板的升温，因此制品的升温速率与预定的接近。2、跟踪式升温根据制品要求的升温速率，制定出搁板升温速率曲线，将实测的搁板升温速率与对应时刻要求的升温速率曲线相比较，确定加热器的通断时间比例，并不断修正这个比例使实际升温曲线跟踪要求的升温曲线，这种方式能较准确的进行过程控制。二、箱内压力（真空度）的控制过去人们调控箱内压力的目的，主要在于提高箱内压力，可以提高升华界面允许的最高温度和供热量，从而可加快干燥的速度。引入“过程再现性”的观点以后，人们还要用能否获得“相同的冻干条件”来重新审视这些方法的优劣。箱内压力调控的方法主要有：1、校下漏孔法博医康真空冷冻干燥系统解决方案冻干系统解决方案-博医康这是目前多数生物、医药冻干机所采用的方法，它是基于提高干燥塔速率而提出来的。其方法是将无菌空气（或气体，下同）引入干燥箱和冷阱，在冷阱的冷凝表面上形成一层空气膜，因而水蒸汽的凝结阻力增大，冷阱压力提高，同时使干燥箱的压力也相应提高。图2-7外部掺气控制的模式图这种方法提高了干燥箱的全压，改善了传热条件和提高了升华界面的最高允许温度，而水蒸汽分压稍低，有得水蒸汽的逸出，因此可以提高升华速率。但是：①热传导真空计的标度与气体成份有关，空气进入箱内后，其气体成分不断变化，特别是解吸干燥阶段与升华阶段箱内气体成分差别较大，引起较大的测量误差。②此种方法是利用降低冷阱的冷凝效率来提高箱内压力的，在开始升华阶段有大量的水蒸汽需要捕捉，冷阱效率的降低无疑阻碍了升华速率的进一步提高，因此实际使用中多用于升华后期和解吸干燥初期。③此外这种方法在冷阱入口若气流速度大，冷凝面上聚集的空气膜不断被冲走，因而水蒸汽容易被捕捉凝结：而在气流后段空气比例越来越多，凝结阻力越来越大，因而结冰较少。这种凝结表面结冰的不均匀，甚至可能造成冷阱入口处的气道阻塞。2.调节真空泵能力法它也是基于提高干燥速率而采用的。其办法是降低真空泵的抽气能力或关闭真空泵，使漏入的和从制品中挥发出来的不凝性气体逐步聚集在冷阱中，以降低冷凝效率，从而提高了冷阱的压力和干燥箱的压力。这种方法提高了箱内全压，博医康真空冷冻干燥系统解决方案冻干系统解决方案-博医康改善了传热条件和升华界面的允许温度，因而对提高升华速率是有效的，且停真空泵还可以降低运行费用。但热功当量传导真空计会出现较大测量误差，仅控制全压在一范围内，造成全压和水蒸汽分压控制的不确定性。此外，冷阱结冰也不均匀，其进口处可能造成阻塞。3．节流调压法对于分离型冷凝器是可能的方式，限制干燥箱与冷凝器间的真空管道的开度，将干燥发生的水蒸气在管道的流路中用阀门、挡板等进行节流，调节水蒸气流路的阻力系数，用升华的水蒸汽在箱内的集存量来控制箱内压力表，实现控制干燥箱真空度。在升华阶段箱内全压和水蒸汽分压基本相等，因此，这种方法既控制了全压也控制了水蒸汽分压，加上搁板温度的控制，可实现批与批间冻干条件的再现，冷阱的结冰也较均匀。在第一阶段干燥水蒸气发生期可利用这一方法。这一方法的优点是：第一，仅由箱体发生的水蒸气来控制，没有重新从外部导入气体，所以不需要外部气体的过滤以及气体无菌性的验证。第二、由于在真空管道中将水蒸气气体排除掉，冷凝器健全地工作能够充分发挥其作用。第三，由于在真空管道中将水蒸气气体节流来控制真空度，因此，有充分地真空储蓄。所以即使在最坏情况负荷时停电发生的情况下，与掺气控制的情况不同不会立即发生干燥箱真空度的变化。在冷凝器室的真空压力劣化到干燥箱真空压的一半为止，干燥箱的真空度保持不变。其主要问题是：①由于箱内水蒸汽分压不能过高，使其全压也不能进一步提高，这对受传热限制阶段（如升华前期）增强传热不利；②在解吸干燥阶段，解吸了贩水蒸汽量很少，节流操作困难。加之此时又希望箱内水蒸汽分压小，以利于水蒸汽的解吸，所以此法只适合升华阶段的调压。博医康真空冷冻干燥系统解决方案冻干系统解决方案-博医康2-8变节流真空控制（升华期）4、冷阱温度调压法即用调控冷阱的温度以控制冷阱的压力表，从而控制了干燥箱的压力。这种方法不是直接控制干燥箱的压力，而是用冷阱的温度间接控制箱内压力表。在稳定的水蒸汽流时，箱内压力与冷阱压力和冷阱温度之间均存在某种确定的依从关系，因而其控制是可行的。例如解吸干燥阶段，新产生的水蒸汽量较少，冰层亦没有显著变化。但在升华阶段，升华的水蒸汽流量在不断变化，冰层厚度亦在不断变化，这将引起冷阱温度与冷阱压力之间依从关系的变化，使其对箱内压力控制带来不确定性。此外要实现冷阱温度的控制，还需要采用载冷介质间接制冷循环，而这对要求-60oC左右低温的冷阱来说，由于增加了一道传热温差损失和增加了循环泵功的加热，大大增加了所需制冷机的容量和运行能耗。日本共和真空技术采用三重热交换器冷阱，利用冷热抵消，较好的实现了冷阱温度的控制。